[发明专利]一种防止侧向外延III族氮化物材料背面被刻蚀的方法

说明书

本发明涉及一种防止侧向外延III族氮化物材料背面被刻蚀的方法。该方法使用特定条件的SOG工艺制备三维图形叠层掩模衬底结构中的SiO₂填充层，使得制备的衬底表面不再有凹槽，防止底层掩模窗口形成的凹槽传递到顶层掩模中，从而在外延生长过程中防止氢气从背面刻蚀已经生长的GaN等III族氮化物材料。本发明还提供了采用SOG工艺制备三维图形叠层掩模衬底结构的方法。本发明可以解决叠层衬底侧向外延GaN等III族氮化物材料过程中背面被载气氢气刻蚀的问题，从而提高晶体质量和合拢后的表面平整度，显著提高了生产的良率，降低了外延生长的难度。

技术领域

本发明属于半导体材料技术、外延生长技术领域，具体涉及一种防止侧向外延III族氮化物材料背面被刻蚀的方法。

背景技术

由于掩模对GaN等III族氮化物材料生长过程中的位错有阻断作用，因此近些年来，衬底掩模技术得到了较多研究。然而在多样的掩模设计过程中，往往会因为设计缺陷引入其他问题，仍然不能得到较高的晶体质量。本发明所针对的是一类三维叠层掩模技术。比如中国专利CN102492986B公布的一种选区异质结外延衬底结构的制备及其外延层生长方法来提高外延GaN层的晶体质量。其采用了一种三维图形叠层掩模衬底结构，包括一衬底，衬底上依次设有底层掩模层、顶层掩模层。其中，底层掩模层设有周期性分布的条形窗口，顶层掩模层上设有周期性分布的“十”字形窗口，“十”字形窗口之间为“工”字形顶层掩模区；顶层的“工”字形顶层掩模区两端通过分立的介质层与底层掩模层的条形掩模区连接；顶层“十”字形窗口与底层条形窗口相互错开。配合其异质外延的生长方法，在很大程度上提高了外延层的晶体质量。

现有的三维叠层掩模结构，由于是上下两层掩模，掩模的开口相互错开，因此在沉积中间填充层和第二层掩模时，会在顶层窗口的开口处产生明显的凹槽。参见图1，该3D图形叠层掩模衬底结构包括衬底101、底层掩模102、填充层103、顶层掩模104，图中105为生长的GaN等材料，106为在底层窗口正对位置由于凹陷而在顶层形成的凹槽。经过研究证明，正是这个凹槽的存在，使得侧向外延的底层在凹槽处暴露在氢气载气(图1中107所示)中，由于底层表面是GaN等III族氮化物材料的N原子层，很容易被氢气刻蚀，从而使得侧向外延的晶体质量降低。下面具体解释和说明该问题。

在底层掩模的窗口光刻刻蚀好之后，会进行SiO₂填充层的沉积。由于此时的衬底并不是完全的平面，而是有凹槽，因此CVD方法沉积的SiO₂层会均匀覆盖，表面形貌与衬底相同，会形成凹槽。如此继续CVD方法沉积顶层掩模材料时，也会形成凹槽，如图1所示。而在目前的工艺设计中，凹槽并没有被消除，一直存在。图2是实际情况的凹槽位置的扫描电镜图。因而在使用该掩模衬底外延生长材料时，材料从底层凹槽开始生长，一直钻出沟道后，开始侧向生长，在侧向生长的过程中，如果有凹槽的存在，将暴露材料的底面。而GaN等III族氮化物材料的底面一般是N原子层，容易被载气氢气刻蚀，效果如图3所示。因此会在材料中形成缺陷，影响生长材料的质量，也不利于材料的合拢。在图3中，条形左边没有凹槽，因此保持了完整形态，条形的右半部分由于凹槽的存在，部分GaN等III族氮化物材料已经被刻蚀掉了，形成了不规则的边缘。因此如果基于图2的条件继续生长，在合拢的时候，相邻两个条形将无法很好的衔接，从而无法得到大而平整的薄膜平面。

发明内容

针对常规叠层掩模侧向外延GaN等III族氮化物材料的技术中遇到的侧向外延区有被载气氢气刻蚀的现象，本发明通过研究被刻蚀的原因和机理，发明了一种防止被刻蚀的方法。

本发明通过将叠层掩模的第二层上的凹槽去除来防止侧向外延GaN等III族氮化物材料背面被刻蚀的现象。

第一方面，本发明提供一种防止侧向外延III族氮化物材料背面被刻蚀的方法，包括以下步骤：

使用SOG工艺制备三维图形叠层掩模衬底结构中的填充层，得到上表面平整的填充层；